基于正交試驗下水溫對泡沫混凝土性能的影響

王 軍, 王鑫琦, 郭宏杰, 杜杭威

(1. 甘肅建投住宅產(chǎn)業(yè)新型材料有限公司, 甘肅 蘭州 730300; 2. 蘭州理工大學 土木工程學院, 甘肅 蘭州 730050)

泡沫混凝土具有耐火、隔熱、保溫的物理特點,同時兼顧便于施工、價格低廉的市場特性而被廣泛應用于建筑的諸多領域.在行業(yè)發(fā)展過程中,泡沫混凝土不斷得到新的應用,在建設公路的過程中泡沫混凝土被用來降低地基沉降的風險.目前在泡沫混凝土中加入摻和料已然成了新的研究熱點,摻入礦渣、粉煤灰等工業(yè)廢料有助于提高泡沫混凝土的物理性能,同時也有助于節(jié)約資源,保護環(huán)境.然而泡沫混凝土在使用過程中逐漸暴露出耐久性能差、抗壓強度低等問題而限制了其在工程領域的進一步應用[1].

沈峰[2]在探討泡沫混凝土性能的同時總結(jié)了泡沫混凝土在建筑工程保溫墻體、砌塊、補償?shù)鼗确矫娴膽?陳雯等[3]研究了基料對泡沫混凝土不同性能的影響,研究表明，當基料不同時,泡沫混凝土的導熱系數(shù)、干密度、抗壓強度等物理、力學指標存在差異.發(fā)泡劑會直接對泡沫混凝土微觀孔隙結(jié)構(gòu)產(chǎn)生影響,進而影響其宏觀性能,所以發(fā)泡劑的成分及其特性對孔隙結(jié)構(gòu)的形成起著重要的作用,通過對各類發(fā)泡劑的改性和混摻復配[4]研究發(fā)泡劑、外加劑對泡沫混凝土性能的影響,確定發(fā)泡劑的濃度、外加劑的種類[5-6]、穩(wěn)泡劑合理用量[7-8]具有重要意義.普通混凝土抗壓強度高于泡沫混凝土一個數(shù)量級,為了解決泡沫混凝土抗壓強度低的情況,催生了學者們對于復合夾心墻板的研究[9-11]，由于泡沫混凝土內(nèi)部結(jié)構(gòu)與普通混凝土截然不同,因此許多學者將泡沫混凝土內(nèi)部孔隙作為主要研究對象,探究泡沫混凝土內(nèi)部孔隙的影響因素以及內(nèi)部結(jié)構(gòu)與泡沫混凝土力學性能之間的關系[12-13].齊瑋等[14-15]基于國內(nèi)外有關泡沫混凝土的孔隙特征、力學性能等研究的基礎,制備了干密度600～1 000 kg/m3的泡沫混凝土,采用優(yōu)化的孔隙測試方法,建立了數(shù)值模型并得出結(jié)論,認為水膠比是顯著影響泡沫混凝土內(nèi)部孔隙特征的因素之一[16],孔隙特征與力學性能之間滿足一定的數(shù)學模型.習雨同[17]認為泡沫混凝土的物理性能與氣孔結(jié)構(gòu)有著密切聯(lián)系,通過正交試驗(三因素三水平)得出不同水膠比、砂灰比、粉煤灰摻量等因素對固定干密度泡沫混凝土細觀結(jié)構(gòu)特征的影響,結(jié)果表明,水膠比對孔隙率的影響更為顯著,并且孔隙率隨著粉煤灰摻量和水膠比的增大而減小,孔隙率和平均孔徑對吸水率的影響呈現(xiàn)正相關性.

上述關于泡沫混凝土的研究中,均未考慮水溫在制備泡沫混凝土過程中對泡沫混凝土內(nèi)部孔結(jié)構(gòu)成型的影響.本文通過正交試驗設計確定最佳水配合比,在此基礎上改變水的溫度,研究制備用水溫度對泡沫混凝土的內(nèi)部孔結(jié)構(gòu)、抗壓強度、干密度、以及吸水率的影響.旨在為不同溫度條件下泡沫混凝土的生產(chǎn)提供理論指導.

1 試驗

1.1 原材料

試驗選用常規(guī)的P.O42.5普通硅酸鹽水泥,并且滿足規(guī)范GB 175—2007《通用硅酸鹽水泥》的要求.細骨料選用砂和蛭石,經(jīng)檢測砂的級配區(qū)間屬于Ⅱ級中砂,細度模數(shù)值為2.8,蛭石粒徑為1～3 mm.摻合料為Ⅱ級粉煤灰,化學指標見表1.雙氧水作為本次試驗研究的發(fā)泡劑,性能指標為質(zhì)量分數(shù)27.5%,穩(wěn)定度96%,不發(fā)揮物0.062%,游離酸0.024%.圖1a,b分別為聚丙烯纖維抗裂纖維(PPF)和可分散乳膠粉.

表1 粉煤灰主要化學成分

圖1 聚丙烯纖維和可再分散乳膠粉Fig.1 Polypropylene fiber and redispersible latex powder

1.2 試驗方案

為了研究單一變量溫度對泡沫混凝土性能的影響,設計正交試驗確定水膠比(A)、粉煤灰摻量(B)、膠粉摻量(C)三因素組合水平基于抗壓強度下的極差分析,確定最優(yōu)水平組合,正交試驗結(jié)果見表2和表3,通過正交試驗確定膠粉摻量2%、粉煤灰摻量15%、水膠比0.6為最優(yōu)水平組合.基于最優(yōu)水平組合設置7種溫度水平(15、20、25、30、35、40、45 ℃),按照表4所列的配合比制作水灰比為0.6的泡沫混凝土試塊,試塊尺寸為100 mm×100 mm×100 mm,泡沫混凝土試塊制作過程中需按照表4所示的配合比將原材料依次投放進攪拌機內(nèi),攪拌均勻后加入發(fā)泡劑快速攪拌10 s注入試模內(nèi),靜置24 h后脫膜,放入標準養(yǎng)護室內(nèi)養(yǎng)護.

表2 正交試驗因素水平表

表3 正交試驗結(jié)果及極差分析

表4 泡沫混凝土配合比

2 結(jié)果與討論

2.1 孔隙結(jié)構(gòu)

將泡沫混凝土試塊平均分割成四份,在每個切割面上任取3個點,利用HC-U81混凝土超聲波測缺功能對泡沫混凝土孔隙進行細觀測量,對讀取的測量數(shù)據(jù)取平均值,圖2為測量孔徑時的采集圖片,表5為泡沫混凝土在不同溫度下的平均孔徑.對每個切割面進行二值化處理,利用Image-ProPlus6.0得到New Mask圖(如圖3所示)并計算孔隙率,計算結(jié)果見表6.結(jié)合表5，表6和圖3可知,隨著溫度的升高平均孔徑變大,當溫度為15 ℃時,化學反應緩慢,水泥水化不完全,大量膠凝材料堵塞了孔隙,導致了平均孔徑較小,孔隙率僅為21%左右.當溫度為30、35 ℃時,泡沫泡沫混凝土平均孔徑和孔隙率計算結(jié)果非常相近,并且孔結(jié)構(gòu)相對較優(yōu),孔徑大小均勻且連通孔少.當水溫為45 ℃時,平均孔徑繼續(xù)增大,但是孔隙率出現(xiàn)明顯的下降,主要是因為溫度升高增加了雙氧水的活性,發(fā)泡過程中出現(xiàn)氣孔破裂形成較多的連通孔,且切面上氣孔分布不均勻.當僅考慮泡沫混凝土內(nèi)部孔隙結(jié)構(gòu)時,泡沫混凝土制備時宜選用30、35 ℃的水溫.

圖2 孔隙采集圖Fig.2 Pore collection map

圖3 泡沫混凝土New Mask圖Fig.3 New Mask of foam concrete

表5 泡沫混凝土平均孔徑

表6 泡沫混凝土平均孔隙率

2.2 抗壓強度

通過壓力試驗機對泡沫混凝土進行抗壓強度測試，試驗過程中應保持均勻加載至試件破壞，然后記錄不同制備水溫下的泡沫混凝土破壞荷載，并計算每組試件的算數(shù)平均值.圖4所示為水溫與泡沫混凝土抗壓強度的曲線關系,其28 d抗壓強度隨著水溫的升高而降低，并且抗壓強度隨水溫變化的變化率并不是保持不變,而是隨著溫度的升高,抗壓強度變化越來越慢.水溫溫度與泡沫混凝土抗壓強度之間存在數(shù)值關系y=3.377x-0.599,相關系數(shù)R2=0.98.這是由于抗壓強度不僅與材料本身特性有關,與內(nèi)部孔隙結(jié)構(gòu)也有密不可分的關系,隨著水溫的升高,雙氧水活性受到影響,發(fā)泡速率的改變引起泡沫混凝土內(nèi)部孔結(jié)構(gòu)的變化,平均孔徑隨著水溫升高而變大,孔壁由厚變薄,連通孔變多,抗壓強度會隨之下降.眾多經(jīng)驗公式[18-19]表明泡沫混凝土強度與孔隙率存在一定關系,經(jīng)驗公式中相關性系數(shù)最高的為Hasselmann提出的線性公式：

圖4 抗壓強度與水溫擬合曲線Fig.4 Fitting curve of compressive strength and water temperature

fc=f0(1-AP)

(1)

其中:fc為抗壓強度;f0為孔隙率為零時水泥石的抗壓強度;p為泡沫混凝土孔隙率;A為經(jīng)驗常數(shù).

試驗結(jié)果與經(jīng)驗公式有所區(qū)別,體現(xiàn)在抗壓強度與孔隙率的關系并不是單調(diào)關系,結(jié)合圖2和表6,45 ℃時平均孔隙率小于30、35 ℃時的孔隙率,按照線性經(jīng)驗公式，45 ℃時抗壓強度應該高于30、35 ℃時的抗壓強度,但是試驗表明，45 ℃時抗壓強度低于30、35 ℃時的抗壓強度.所以當溫度變化時,分析泡沫混凝土的抗壓強度時,應綜合考慮內(nèi)部孔結(jié)構(gòu)的影響,單一的考慮孔徑大小、孔隙率、連通孔都是不準確的.當溫度為30、35 ℃時,雖然泡沫混凝土孔隙率較高,但孔徑分布大小均勻,連通孔少,氣孔圓度值高,所以泡沫混凝土抗壓強度(≥0.3 MPa)依然能夠滿足規(guī)范要求.

2.3 干密度

圖5為干密度隨水溫變化的關系曲線.由圖5可知,水溫和干密度呈現(xiàn)反向變化趨勢,當溫度升高時,干密度逐漸下降.水溫與干密度的關系為y=11 638-1 853ln(x+427),相關系數(shù)R2=0.97.泡沫混凝土試塊中的孔隙體積決定了泡沫混凝土的干密度,試驗采用的是化學方法制備泡沫混凝土,考慮到雙氧水活性極易受到溫度的影響,溫度升高會加快雙氧水的分解速率，而在水泥水化的過程中伴隨著氣泡的產(chǎn)生使?jié){料膨脹,當水化產(chǎn)物的濃度不斷提高達到臨界值,會促使水化產(chǎn)物析出微晶膠粒，微晶膠粒為絮狀結(jié)構(gòu)物,當微晶膠粒增多時, 料漿會因逐漸失去流動性喪失支撐自重的結(jié)構(gòu)強度,這就是氣孔結(jié)構(gòu)形成的基本過程.但是在以化學發(fā)泡法制備泡沫混凝土時,因發(fā)泡劑受溫度影響較大,發(fā)泡劑放氣速度與氣孔壁強度發(fā)展進程難以同步,最終導致氣孔連通率較高.當水溫升高時,由內(nèi)部形貌可知,隨著孔徑變大、孔隙率提高、連通孔增多,干密度出現(xiàn)降低的趨勢.當水溫為35～40 ℃時,干密度下降至240 kg/m3,考慮到水溫過高加上水化熱會導致泡沫混凝土因溫度應力產(chǎn)生裂縫,所以當泡沫混凝土干密度滿足要求時,此時的水溫為最佳的溫度.

圖5 干密度與水溫擬合曲線Fig.5 Fitting curve of dry density and water temperature

2.4 吸水率

圖6 吸水率與水溫的擬合曲線Fig.6 Fitting curve of water absorption and water temperature

3 因素相關性分析

3.1 相關性理論

相關性理論是指定量分析兩種或者兩種以上變量之間的相互依賴程度,按照因素數(shù)量的不同,相關性分析主要分為兩因素相關性分析和多因素相關性分析,按照因素之間的關系,可以分為線性相關性和非線性相關性.泡沫混凝土抗壓強度、干密度、吸水率與溫度之間均存在單調(diào)關系,為了研究泡沫混凝土各物理性能在溫度變化作用下的相關性,試驗選擇基本的二因素線性相關性進行分析.

假定相關變量x與y之間存在相關性,則一元相關分析方程為

y=b+ax+ε

(2)

其中:a,b為線性相關性分析中的參數(shù),ε～N(0,σ2),假設有(x0,y0),(x1,y1),(x2,y2),…(xn,yn)作為一組相互獨立的數(shù)值,則有

yi=b+axi+εi

(3)

相關參數(shù)可由最小二乘法求得,因為(x0,y0),(x1,y1),(x2,y2),…(xn,yn)是一組觀測值,當x0,x1,x2,…,xn確定的情況下,相應的yi與確定變量相關的偏差值為

yi-E(yi)=yi-b+axi+εi

(4)

由于偏差值的不同,離差平方和為

(5)

如果存在b,a使得離差達到極小值,則b,a就是所要求的相關參數(shù),由于minQ(b,a)總存在極小值,滿足

(6)

則

(7)

3.2 二因素相關性分析

在水溫變化條件下,測得的泡沫混凝土抗壓強度和干密度試驗數(shù)據(jù)如圖4和圖5所示,從圖中可以看出抗壓強度和干密度隨溫度變化的變化速率不同,但是整體變化趨勢相同,呈現(xiàn)出隨溫度增加而遞減的趨勢.因此將試驗數(shù)據(jù)導入SPSS分析因素相關性得到圖7,由圖7可知,在水溫變化下,泡沫混凝土的抗壓強度和干密度之間存在正線性相關性,相關性指數(shù)R2=0.94,由此可以得出抗壓強度和干密度之間相關性程度較高.溫度變化作用下,泡沫混凝土抗壓強度和吸水率的具體值如圖4和圖6所示,隨溫度變化泡沫混凝土抗壓強度和吸水率的整體變化趨勢相反,用相同的方法分析抗壓強度和吸水率在溫度變化作用下的相關性得到圖8,從圖8可知,泡沫混凝土抗壓強度和吸水率呈現(xiàn)負相關性,并且R2=0.94,兩因素之間存在較高的相關性.由此可以說明,當泡沫混凝土的物理、力學性能僅受溫度變化影響時,抗壓強度與干密度、吸水率之間均存在可靠度高的線性相關性,因此在溫度變化作用下,可以選擇一個物理、力學性能指標來表征泡沫混凝土的整體性能.

圖7 抗壓強度與干密度的相關性

圖8 抗壓強度與吸水率的相關性

4 結(jié)論

1) 溫度對泡沫混凝土平均孔徑、孔隙率、連通孔數(shù)量等均有影響,當溫度為30、35 ℃時,泡沫混凝土內(nèi)部孔徑大小均勻,孔隙率高、連通孔少、平均孔徑為1.9 mm左右,泡沫混凝土發(fā)泡效果最好.

2) 泡沫混凝土的抗壓強度、干密度與水溫反向變化,吸水率與溫度同向變化,并且抗壓強度、干密度、吸水率與水溫均滿足一定的數(shù)學關系,可以根據(jù)抗壓強度、干密度、吸水率的要求確定制備泡沫混凝土時的溫度.

3) 由于泡沫混凝土微觀結(jié)構(gòu)的特殊性,其物理、力學性能主要由混凝土內(nèi)部孔隙結(jié)構(gòu)所決定,其中孔隙率對吸水率的影響比較顯著.

4) 在溫度變化作用下,泡沫混凝土各物理、力學性能變化趨勢存在一定的相關性,抗壓強度和干密度呈現(xiàn)正線性相關性,抗壓強度與吸水率呈現(xiàn)負線性相關性,因此可以選擇一個物理、力學性能指標來表征泡沫混凝土整體的性能.